Instalaciones de biomasa, todo lo que debes saber para proyectarlas

La subida de los precios de los combustibles fósiles así como una mayor concienciación por parte de los consumidores hacia el medio ambiente han puesto de relieve una fuente de energía que si bien ya la veníamos utilizando desde hace miles de años, los nuevos procesos de industrialización y automatización permiten un uso limpio, eficiente y prácticamente automático.

Es uno de los recursos renovables que presentan mayor potencial y auguran un buen futuro en nuestro país ya que en España disponemos de los recursos necesarios como son grandes masas forestales, recordemos que nos encontramos en tercer lugar de masa forestal en Europa detrás de Dinamarca y Finlandia, prácticamente sin explotar así como los residuos producidos en los procesos agrícolas. En nuestro país, las comunidades que se sitúan a la cabeza en este tipo de instalaciones en edificación e industria son Andalucía y Castilla y León, sin embargo nos encontramos bastante por debajo en uso de biomasa frente a otros países de la Unión Europea como Alemania y Suecia.

Antes de entrar de lleno en el estudio de este tipo de instalaciones para edificación es importante hablar de sus ventajas y de sus inconvenientes, la más importante desde un punto de vista ecológico es su nulo impacto sobre las emisiones de carbono a la atmósfera, ya que el CO2 que se desprende de la combustión no puede ser superior al absorbido por la biomasa en su fase de crecimiento, por otro lado el aspecto económico, aquí habría que agrupar dos partes implicadas en el proceso, por un lado los consumidores que, dados los altos precios de los combustibles fósiles ven a la biomasa como un recurso rentable en estos tiempos y por otro lado los agentes implicados en la producción de este recurso, es decir, las economías locales, que son las gran beneficiarias de este mercado ya que de manera directa se reactiva un mercado que en rasgos generales es deficitario.

En el aspecto negativo hay que recalcar el alto coste de los equipos de producción de calor y su complejidad mecánica frente a los equipos de energías convencionales y la emisión de benzopirenos, un compuesto declarado como cancerígeno por la OMS pero que hasta la fecha no excede en ningún estudio científico de los niveles máximos permitidos por dicha organización.

En general la biomasa presenta más beneficios que perjuicios. Para facilitar su implantación, es muy importante la labor del Gobierno Estatal en su faceta de de financiador a largo plazo, que ya se están viendo en actuaciones por parte del Instituto de la Diversificación y Ahorro Energético (IDAE) con el programa PAREER y las ayudas que los gobiernos autonómicos y locales presentan para fomentar el uso de la biomasa.

Diseño de instalaciones de biomasa

Lo primero que debemos tener en cuenta a la hora de diseñar una instalación de biomasa es si nos encontramos ante una remodelación de un sistema existente con energía convencional con o sin aporte solar o se trata de una obra nueva, para el desarrollo de este artículo vamos a suponer el primer caso, una rehabilitación de un sistema existente ya que los pasos, los procedimientos y condicionantes serán los mismos para una obra nueva.

Otro aspecto importante que debemos observar cuando vamos a proyectar una instalación de biomasa para calefacción y ACS es el espacio disponible, debemos tener en cuenta que las dimensiones de las calderas de biomasa son sensiblemente mayores que los equipos de gas o gasoil, y sobre todo debemos tener presente que será necesario habilitar un silo para el almacenamiento del combustible, en viviendas unifamiliares no es necesario tal silo a no ser que entremos en materia de comodidad de uso pues las calderas vienen con sus propias tolvas con una autonomía variable en función del modelo.

Podría incluso darse en caso de que sea desaconsejable la instalación de estos equipos en según qué situaciones nos encontremos, y no solo por el espacio para la instalación, que puede ser aceptable, también debemos prever el suministro de combustible ya que, normalmente este se hace desde camiones y necesita un espacio mínimo de ocupación de la vía publica.

Estimación de las cargas térmicas del edificio.

Antes de entrar de lleno en el dimensionado de la sala de calderas es necesario conocer las cargas térmicas del edificio sobre el que se proyecta la instalación para conocer las dimensiones de los equipos a instalar. Para ello nos podemos apoyar en cualquiera de los múltiples sistemas que nos prestan las casas comerciales. Nuestra experiencia, después de varios años tratando con este asunto ha dado como resultado nuestro propio sistema de cálculo aproximado que ponemos a vuestra disposición en la siguiente dirección de internet: http://www.tucalor.com/calcular-potencia-caldera-biomasa/

Elección de la caldera

Cuando nos enfrentamos al problema de dimensionar la caldera, debemos tener una máxima siempre presente, es preferible dimensionar una caldera ajustada a la demanda que una de mayores dimensiones, debido a los consumos a bajas modulaciones, ya que debemos primar la eficiencia del sistema frente a la eficacia. Esto no es normal para energías convencionales, en las que solemos encontrar equipos sobredimensionados frente a la demanda, si bien es cierto que con estos equipos los rendimientos son bastante elevados a modulaciones bajas.

Una vez elegida la potencia, que vendrá de la mano de la estimación de cargas, nos centraremos en elegir entre los distintos tipos de calderas que existen en el mercado. En nuestra experiencia sabemos que prácticamente todos los fabricantes de calderas organizan visitas a instalaciones para ver en funcionamiento sus equipos, es interesante en esos casos hablar no solo con el comercial que nos vende las bondades del equipo, sino también con el beneficiario del sistema, que será el que nos permita hacernos una idea más clara del funcionamiento global del conjunto.

Las diferencias entre unas y otras radican en, por un lado el tipo de combustible que emplean, y por otro lado, cuantas cosas llevan automatizadas, es decir, cuanto caso vamos a tener que hacerles para que funcionen bien. Sé que es una división un poco brusca, pero para hacernos una primera idea será suficiente. Empecemos hablando por los tipos de combustible, desde la leña tradicional hasta los modernos pellet certificados EN A1 plus pasando por hueso de aceituna, cascara de almendra, hueso de melocotón etc. Existen algunas calderas que solo aceptan algunos tipos, como las de leña, o las de pellet, en las que solo podemos usar uno de los tipos, y existen otras calderas que son capaces de soportar varios combustibles, estás se llaman calderas policombustibles, y suelen funcionar indistintamente con varios combustibles, generalmente pellet, huesos, astillas, etc. Es muy normal tener que modificar el quemador para ajustarse a los distintos tipos de tamaño de los combustibles.

A la hora de elegir la caldera en función del combustible, nosotros solemos recomendar las calderas de astillas, ya que la materia prima es la más económica, que menos industrialización necesita y con mayor potencial si miramos los países en los que más implantados están estos sistemas, pero en función de la localización de la instalación y de los suministradores locales de combustible, esta decisión queda supeditada a criterios meramente comerciales.

Por otro lado tenemos la otra división, cuantas cosas llevan automatizadas los sistemas productores de calor, depende del nivel de ingeniería que estos equipos dispongan conllevaran un coste u otro, evidentemente más elevado. En este punto debemos tener en cuenta la disposición de personal en el edificio en el que vamos a implantar el equipo, de tal manera que, si dispone de personal de mantenimiento fijo, podemos disponer equipos que cuenten con menos automatismos en como los compactadores de cenizas, limpieza automática de intercambiadores y otros. Si por otro lado, por ejemplo trabajamos con comunidades de vecinos en las que las tareas de mantenimiento sean más esporádicas, optaremos por equipos con sistemas automáticos, pero debemos asegurarnos que estos sean de calidad y respondan correctamente a lo largo de los años.

Sala de calderas.

Aparte de los silos, de los que hablaremos más adelante,debemos tener presente las dimensiones mínimas que nos marca la normativa para este tipo de instalaciones, debemos prever, además de la propia calderas y de los posibles depósitos de inercia o de ACS las distancias mínimas que faciliten el mantenimiento del equipo.

Otro aspecto a tener, es la salida de humos, es muy importante resaltar que no se puede compatibilizar diferentes combustibles por una misma salida de humos, y si por ejemplo, disponemos de un sistema de gasoil que vamos a dejar funcionando, deberemos prever un segundo sistema de evacuación de humos, siempre de acero Inox 316 y doble pared, el diámetro mínimo nos lo marcará el fabricante, pero debemos revisar la normativa para instalar el más desfavorable.

En lo que respecta a ventilaciones, la norma nos indica que debemos dejar por cada kW instalado de 5 cm2 en aplicaciones superiores a los 70 kW.

Emisores de calor

Es indiferente el tipo de emisores de calor que elijamos, que sean de aluminio, acero, de paneles, de columnas, etc. Lo importante es la potencia calorífica emitida y su ubicación en nuestras dependencias, como en cualquier sistema de calefacción. Es muy normal que estos emisores ya esten preestablecidos en el caso de sustitución de energía convencional a biomasa, en estos casos deberemos hacer un esfuerzo para encontrar las fichas técnicas de los equipos.

Otra posibilidad es el suelo radiante. Nuestra experiencia nos confirma que para instalaciones de biomasa, el suelo radiante ofrece unas condiciones ambientales muy confortables, muy adecuadas a las características de las calderas ( funcionamiento continuo de la caldera a un elevado rendimiento) Pero debemos tener cuidado si planteamos este tipo de instalaciones para edificios de uso habitual, ya que debido a las inercias que acumulan los forjados, el tiempo de climatización de las estancias puede llegar a tardar varios días en función de la temperatura exterior.

¿Qué son los depósitos de inercia?

Los depósitos de inercia son depósitos de agua calorifugados que se conectan en serie con la instalación de calefacción. Tienen una doble función, por un lado son los encargados de almacenar la energía o el calor residual para posteriormente distribuirla por el circuito y por otro son capaces de hacer que una instalación de biomasa funcione más eficientemente.

En función de la caldera que elijamos para la instalación, estos depósitos pueden ser necesarios, recomendables o no necesitarlos. Vamos a por el primer caso, siempre que nosotros utilicemos calderas de leña, deberemos disponer de depósito de inercia, esto es debido a que no se puede controlar la cantidad de combustible que el usuario va a introducir ni su combustión, y es una manera de proteger al sistema en caso de exceso de energía, además de las que la propia caldera incluya.

Recomendable es en todos aquellos casos en los que el rendimiento en modulación de la caldera que instalemos no sea superior al 75%, es importante que nos fijemos en las fichas técnicas ya que en según qué casos, el rendimiento a bajas modulaciones puede llegar al 50%, lo que significa que la mitad de la energía que producimos es desperdiciada por el sistema, con el consiguiente gasto de combustible y perdida de eficiencia.

Si decidimos utilizar en nuestro sistema calderas de alta eficiencia, el deposito de inercia no es necesario, ya que son el contraejemplo del caso anterior y son capaces de sacar rendimientos muy altos a bajas modulaciones, lo que nos permite conectarlas directamente al sistema.

Para el dimensionado de los depósitos de inercia podemos recurrir a la “Instalación termica de biomasa en edificios” que publico el IDAE en la que recomiendan en su página 64 de 20 a 30 litros por kW instalado, en la práctica y para grandes instalaciones estos valores son algo elevados, y se podrían reducir a 15 litros por kW dependiendo de la instalación y del criterio del proyectista.

Diseño de silos de biomasa

Unos de los problemas que se presentan a proyectista a la hora de dimensionar un silo, es el volumen, ubicación y forma que debe presentar el mismo, dado que es función de factores tan distintos como la carga térmica a vencer, la biomasa elegida y el suministró previsto.

Para silos de nueva creación, el RITE indica que como mínimo el volumen debe ser tal que cubra el consumo de 2 semanas de combustible, este es un dato de mínimos, es recomendable calcular para un mes de suministro siempre que sea posible, por lo que para este cálculo la densidad de la biomasa es un dato fundamental. Si usamos pellets, o huesos de aceituna, podemos hacer una estimación en el sentido de que por cada Kw de potencia instalada necesitaremos unos 250 Kg de este tipo de biomasa por temporada. Si extrapolamos estas cifras para los valores mínimos que indica el RITE (combustible para dos semanas) nos sale un volumen de 0,046 m3 por Kw instalado. A partir de esta cifra, podemos dimensionar el depósito para el periodo que necesitemos. Así, para una temporada (unas 1500 horas de consumo de calefacción), el volumen necesario es de 0,48 m3 por Kw.

Si usáramos como biomasa astillas de madera estas cifras tendrían los siguientes valores 0,054 m3 por Kw para dos semanas y 0,58 m3 por kw para la temporada entera.
En el caso de usar otro tipo de biomasa, podemos calcular cuál será el volumen mínimo para dos semanas en función de la densidad aparente del combustible y de su Poder Calorífico Inferior, con la siguiente expresión:

Ecuación en la que el volumen vendrá en m3, el P.C.I hay que expresarlo en Kj/Kg y la densidad aparente δ en Kg/m3. Si quisiéramos calcular el volumen para una temporada, cambiaríamos la cifra 440000 por 4700000.

En ocasiones, necesitamos determinar cuál es la energía almacenada en un momento en nuestro silo. El cálculo de ello es bastante sencillo pues es función de una simple multiplicación, en la los factores serán, el volumen del combustible (basta con multiplicar el área del silo por la altura que alcanza la biomasa con independencia de si el suelo está o no inclinado) por la densidad aparente del combustible y por su poder calorífico en las unidades expresadas anteriormente y por unos coeficientes correctores 0,77 o 0,62 función de si el suelo del silo es horizontal o inclinado.

En lo referente a la ubicación y forma del mismo, debemos adaptarlo a la arquitectura del edificio y al sistema de suministro que diseñemos (sistema neumático o sistema mediante descarga directa por una trampilla)

Alimentación de la caldera

Una vez dimensionado el depósito de la biomasa, debemos acometer el diseño del sistema de alimentación de la caldera. Básicamente hay dos sistemas, mediante un mecanismo neumático o mediante un tornillo sin fin.

El sistema neumático está basado en una bomba que succiona el combustible y lo lleva hasta la caldera. La gran ventaja que presenta este sistema es su economía frente a las limitaciones de la distancia a cubrir, no más de 15 m, y el tamaño de la biomasa que necesariamente debe ser pequeña y uniforme ( sistema ideal para pellets y huesos de aceituna en pequeñas distancias).

Los tornillos sin fin, los podemos diseñar mediante conducciones rígidas o flexibles. Las rígidas tienen una limitación en cuento a la distancia a cubrir, sobre unos 25 metros con una capacidad de transporte elevada, pues pueden transportar hasta 18000 Kh/h ( de pelets), mientras que las flexibles, más fáciles de construir, cubren hasta 60 metros pero con una limitación de carga que no supera los 4500 Kg/h. Normalmente los sistemas flexibles producen más roturas si trabajamos con pellets.

Para silos de astillas de madera, el sistema de alimentación además del tornillo sin fin, debe ir apoyado por un agitador rotativo para facilitar la entrada de las astillas en el tornillo. Las astillas de uso en biomasa presentan una granulometría G30 o G50 y es en función de la misma como debemos dimensionar nuestro tornillo. Así, si estamos tratando astillas G50 nuestro sin fin debe ser capaz de transportar sin problemas astillas de una sección máxima de 5 cm2 y una longitud límite de 12 cm, lo que nos lleva a dimensiones tornillos con un diámetro exterior cercano a 250 mm.

Cuando nuestro proyecto contempla la instalación de grandes silos (altura de la biomasa superior a 6 m), y con independencia del tipo de biomasa usado , los agitadores rotativos son insuficientes, por lo que hay que sustituirlos por suelos móviles o rastreles.

¿Es necesario el aporte solar  para ACS si tenemos una instalación de biomasa?

La sección HE-4 del Código Técnico de la Edificación (CTE), aprobado mediante el R.D. 314/2006, establece el requisito de una contribución solar mínima en la producción del agua caliente sanitaria (ACS) para edificios nuevos o rehabilitados, cuya cuantía depende de la zona climática, de la demanda total y del tipo de energía no renovable utilizada. A su vez, en esta sección se establece que la energía solar térmica puede ser sustituida por otras fuentes de energía renovables, como son (y así se declara en la Directiva Europea) las energías geotérmica, aerotérmica y biomasa.

En coincidencia con la entrada en vigor del nuevo Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios, el IDAE publica “Comentarios al RITE 2007” (ISBN: 978-84-96680-23-4) que en su página 100 indica que “los sistemas de paneles térmicos podrán ser sustituidos por otras técnicas de energías renovables siempre que no venga superada la producción de CO2 del sistema exigido por la Administración sobre una base anual”.

En el caso de biomasa, porque las emisiones de CO2 son nulas,la sustitución de los paneles por biomasa no presenta ningún inconveniente, mientras que para geotermia y aerotermia sería necesario comprobar que la emisión de CO2 producida por nuestra bomba de calor y el aporte de energía eléctrica necesario, no supere la emisión que generaría una instalación homóloga (bien de gasoil, gas natural, etc.) que aporte el porcentaje establecido en la demanda con paneles solares térmicos.

Los distintos tipos de combustibles

El concepto de biomasa es muy amplio, pero vamos a centrar nuestros esfuerzos en detallar los más comunes utilizados como combustible en España, si bien cada zona dispondrá de uno o varios de los siguientes, en la tabla adjunta podemos ver las densidades y densidades energéticas de los combustibles generalmente más usados, debemos tener en cuenta que a menor densidad energética mayor será la capacidad de  nuestros silos para poder abastecer la demanda energética.

Pellet

Los pellets son pequeños cilindros cuya materia prima es la madera natural procedente de serrines, astillas y leñas descortezadas, prensadas a alta temperatura. Poseen un elevado poder calorífico y un bajo contenido en cenizas. Las calderas que utilizan este tipo de biomasa son muy eficientes, el pellet es el tipo de biomasa con mayor precio respecto a otros tipos de biomasa, pero es el más recomendado para la utilización ya que ofrece mayores rendimientos y reduce el mantenimiento de la caldera, siendo óptimo para usos domésticos y residenciales.

Astillas

Las astillas son el resultado de reducir el tamaño de la madera obteniendo pequeños trozos con una forma irregular. Su coste de producción es menor que el de los pellets, sin embargo al tener menor densidad necesitaremos mayor espacio de almacenamiento, el cual requiere un acondicionamiento y sistemas de alimentación y descarga específicos. Las calderas con este tipo de combustible requieren mayor trabajo de operación y mantenimiento que utilizando pellet, pero es el combustible que presenta mayor potencia a largo plazo.

Residuos Agroalimentarios

Otro tipo de biomasa es el obtenido de residuos agroindustriales, estos residuos son los productos que se generan en las industrias agropecuarias y son costosos de destruir pero pueden suponer un importante aporte calorífico.

Entre ellos tenemos los huesos de aceituna y cáscara de almendra, entre otros. Su coste de producción y adquisición es menor que el del pellet, y tienen un alto poder calorífico pero debemos tener precaución y evitar biomasas con residuos no deseados. Este tipo de combustible genera una cantidad de ceniza mayor que el pellet, aunque dentro de unos márgenes aceptables.

Otro punto importante a valorar en este tipo de biomasa es su densidad, ya que al ser menor que la del pellet, necesitaremos más espacio para su almacenamiento. Tanto la cáscara de almendra como el hueso de aceituna se pueden encontrar enteras o trituradas.

Esquemas hidráulicos

A continuación vamos a mostrar varios esquemas de instalaciones de biomasa, se pueden configurar estos esquemas en función de las necesidades de la instalación y utilizaremos elementos, como los depósitos de inercia, intercambiadores y otros en función de las necesidades y de las prescripciones del fabricante de la caldera.

A pesar de que en el mercado existen depósitos de inercia o intercambiadores que nos permitan utilizar varias fuentes de energía, siempre que trabajemos con energía solar térmica, deberemos prever la colocación de un deposito de inercia adicional, de tal manera que solo recurramos al apoyo en caso de necesidad.

Caldera que cubre toda la demanda

Si queremos cubrir el 100% de la demanda, queremos deshabilitar los sistemas existentes o se trata de una instalación para un edificio nuevo, este es el esquema que debemos seguir, como hablamos anteriormente, en función de las necesidades de la instalación pasaremos a través de depósito de inercia o podemos desestimarlo si la caldera que empleemos es capaz de sacar altos rendimientos a bajas modulaciones.

Combinación sistemas tradicionales

Este tipo de instalación es muy común cuando en la edificación nos encontramos un sistema funcionando con energía convencional, podemos reducir la potencia de la caldera un 60 ó 70% en estos sistemas, ya que lo picos de demanda, que serán solo unos pocos días al año, los podemos cubrir con el sistema existente.
Los sistemas de control electrónico cobran un importante papel en estos sistemas ya que serán los encargados de poner en funcionamiento una, otra o ambas calderas en función de las necesidades.

Sistemas en cascada

Cuando trabajamos con instalaciones de cierta envergadura, es recomendable la instalación de calderas en cascada, generalmente dos, esto nos aporta ciertas ventajas como poder alternar su uso lo que aumenta su vida útil y ta mbién poner una de ellas en servicio en caso de avería o mantenimiento. Prácticamente todos los fabricantes de calderas incorporan módulos específicos para los sistemas en cascada.